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铝材特别是挤压铝材在桥梁中的应用已有相当长的历史,但用量不大,发展速度也不快,原因之一是铝合金的强度还不够高,不能满足公路、铁路桥梁的要求,常用的6xxx系合金挤压型材的抗拉强度Rm只有250N/mm2,亟需研发一批强度>650N/mm2的高强度的铝合金,以满足承重路桥特别是浮桥建设的急需。
用挤压铝合金型材造桥的优点:
铝合金挤压型材是建造桥梁与浮桥的优良结构材料之一,尤其是对建造浮桥来说,在当前它是首选的材料,值得大力推广,其基本优点可归纳如下:
1,密度低,约为钢的1/3,铝合金的密度约为2.7g/cm3,而钢的密度却高达7.8g/cm3。6xxx系的强度性能可与低碳钢的相当,因此比强度(强度质量比)、比刚度(比弹性模量)远超过钢材的。
2,抗腐蚀性能强,对雨水、海水与道路盐份、泥浆的腐蚀可忽略不计,特别是5xxx系合金,因此不但建造完后不用刷油漆,在服务期间也不需定期维护。
3,韧性高,抗疲劳裂纹扩展能力很强,又无低温脆性。铝合金的强度与塑性均随着温度的下降而同步上升,可是90%以上的钢都有低温脆性,所以铝合金是高寒地区造桥的上乘材料,北欧建了不少铝合金公路桥。
4,可挤压性能强,这一点对于建造桥梁来说很重要,因为其可以生产设计师所需要的断面复杂的空心型材,增大承受负载的能力,而不必进行昂贵的切削加工,还可以生产变断面型材。由于大挤压材的应用与其质量的相对较轻,可在工厂预制桥梁,有利于降低制造成本与运输费用,缩短安装时间,对交通影响大大减轻。
5,可回收性强,铝是循环经济的金属材料之一,铝合金桥梁在使用期间无腐蚀损失,几乎全部回收,同时废铝能耗仅相当于原铝提取能耗的5%,对资源的循环利用、节能减排有着重要意义,具有重大效益。
用挤压铝合金型材造桥有诸多不言而喻的优点。然而,铝合金桥梁也有一些不足之处,不利于铝合金材料在桥梁建造中的大面积推广,主要问题是:
1,原始成本高,铝桥的原始成本(最初投资)比其他材料高,通常根据对比材料的不同高25%~100%,但是铝桥在造完后不需刷油漆,在以后的服役期间也不需要定期维护,因此若把维护费用也加以计算的话,则铝桥在整个使用期间的总费用(投资与维护费之和)要低于钢桥的,特别是在高寒地区,需用耐寒的无低温脆性的合金钢。
2,对铝合金的认识不足,无论是过去还是现在,无论是桥梁工程师还是广大群众,对钢材都耳熟能详,可是对铝材在工程方面的应用就不那么熟知了,因此,宜加强宣传,不但要在学校培养人才方面提及铝的应用,而且有关传媒应在适当地区与时间加强介绍,提高人们对铝及铝应用的认知。
3零件的连接,过去铝桥是用铝板制造的,采用螺接与铆接连接零部件,上世纪90年代中期美国雷诺兹金属公司(Reynolds metals Co.,2005年被美国铝业公司兼并)研制成功几种挤压桥梁铝型材,主要是用焊接法连接。用螺接或常规焊接法连接的不足之处是,接头的强度特别是疲劳强度比母材的低。后来,先进的摩擦搅拌法问世,为桥梁零部件的连接提供了优秀的连接工艺,可以焊接铝-铝,也可焊接铝-钢,焊缝的强度几乎与母材的相当。
新型桥梁铝材合金,桥梁铝材经过85年的发展取得了重大进展,已从板材建造进入了以挤压大空心铝型材接焊桥体时代,现行的桥梁铝材除传统的6063、6061合金外,还有新研发的欧洲6082合金,1972年在美国铝业协会公司注册,成分(质量%):0.7~7.3Si,0.05Fe,0.10Cu,0.40~0.10Mn,0.6~1.2Mg,0.25Cr,0.20Zn,0.10Ti,其他杂质每个0.05、合计0.15,其余Al;美国的7005合金,1962年在美国铝业协会公司注册,成分(质量%):0.35Si,0.40Fe,0.10Cu,0.20~0.70Mn,1.0~1.8Mg,0.06~0.20Cr,4.0~5.0Zn,0.01~0.06Ti,0.06~0.20Zr,其他杂质每个0.05、合计0.15,其余Al;日本的7N01合金,其中N代表日本(Nippon),它的成分(质量%):0.30Si,0.35Fe,0.20Cu,0.20~0.7Mn,1.0~2.0Mn,0.30Cr,4.0~5.0Zn,0.20Ti,0.10V,0.25Zr,其他杂质每个0.05、合计0.15,其余Al;7N01是一个优秀的可挤压大型材的中高强度的铝合金,它的物理性能:2.78g/cm3,液相线温度620℃~650℃,线胀系数23.6×10-6/℃。
新型铝合金的研制成功,摩擦搅拌焊的问世,大挤压机的建设,为桥梁铝材生产、桥梁建设创造了有利条件,在一定程度上降低了铝桥的造价,对推广铝材在桥梁中的应用相当有利。